记一次内核模块内存越界排查

本文记录一次内核模块内存越界，导致故障的排查分析过程，和各位共享交流。

异常都是在系统启动阶段出的。

异常信息一：

 

[    6.854984] BUG: Bad page state in process khelper  pfn:6db6d9addc07010f

[    6.862471] page:ffff880821883b48 flags:ffff880821885e00 count:562584288 mapcount:-30711 mapping:ffff8808218857c0 index:ffff8808218854a0

[    6.876156] Pid: 132, comm: khelper Not tainted 2.6.32.41- #17

[    6.885093] Call Trace:

[    6.887837]  [<ffffffff810ba056>] bad_page+0x115/0x130

[    6.893571]  [<ffffffff810bba56>] get_page_from_freelist+0x45c/0x6d4

[    6.900669]  [<ffffffff810cb6f3>] ? __inc_zone_state+0x56/0x66

[    6.907183]  [<ffffffff810bbee6>] __alloc_pages_nodemask+0x152/0x8b8

[    6.914284]  [<ffffffff810bbee6>] ? __alloc_pages_nodemask+0x152/0x8b8

[    6.921577]  [<ffffffff810e221a>] alloc_pages_current+0x96/0x9f

[    6.928191]  [<ffffffff810e556d>] alloc_slab_page+0x1a/0x25

[    6.934404]  [<ffffffff810e55c3>] new_slab+0x4b/0x1ca

[    6.940040]  [<ffffffff810e60c8>] __slab_alloc+0x1c3/0x366

[    6.946166]  [<ffffffff811c221d>] ? selinux_cred_prepare+0x1a/0x30

[    6.953081]  [<ffffffff810e5719>] ? new_slab+0x1a1/0x1ca

[    6.958999]  [<ffffffff810e7718>] __kmalloc_track_caller+0xb0/0xff

[    6.965901]  [<ffffffff81069ec4>] ? prepare_creds+0x1a/0xa4

[    6.972116]  [<ffffffff811c221d>] ? selinux_cred_prepare+0x1a/0x30

[    6.979026]  [<ffffffff810c8947>] kmemdup+0x1b/0x31

[    6.984476]  [<ffffffff811c221d>] selinux_cred_prepare+0x1a/0x30

[    6.991185]  [<ffffffff811bd02d>] security_prepare_creds+0x11/0x13

[    6.998094]  [<ffffffff81069f38>] prepare_creds+0x8e/0xa4

[    7.004121]  [<ffffffff8106a5e6>] copy_creds+0x74/0x186

[    7.009963]  [<ffffffff810488bb>] copy_process+0x261/0x110b

[    7.016185]  [<ffffffff8105fec1>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.023079]  [<ffffffff81049cb2>] do_fork+0x158/0x2fa

[    7.028725]  [<ffffffff8101211a>] ? __cycles_2_ns+0x11/0x3d

[    7.034943]  [<ffffffff81012212>] ? native_sched_clock+0x3b/0x3d

[    7.041649]  [<ffffffff8105fec1>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.048543]  [<ffffffff8100ce22>] kernel_thread+0x82/0xe0

[    7.054566]  [<ffffffff8105fec1>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.061482]  [<ffffffff8105fcd8>] ? ____call_usermodehelper+0x0/0x118

[    7.068666]  [<ffffffff8100ce80>] ? child_rip+0x0/0x20

[    7.074407]  [<ffffffff8105ff0c>] ? __call_usermodehelper+0x4b/0x6a

[    7.081403]  [<ffffffff8106168e>] worker_thread+0x14e/0x1f8

[    7.087627]  [<ffffffff810651a3>] ? autoremove_wake_function+0x0/0x38

[    7.094818]  [<ffffffff81061540>] ? worker_thread+0x0/0x1f8

[    7.101039]  [<ffffffff81064f69>] kthread+0x69/0x71

[    7.106488]  [<ffffffff8100ce8a>] child_rip+0xa/0x20

[    7.112027]  [<ffffffff81064f00>] ? kthread+0x0/0x71

[    7.117564]  [<ffffffff8100ce80>] ? child_rip+0x0/0x20

只看前两行信息，出现mapcount为负数，这个显然有问题。打印的代码是：

 

 

printk(KERN_ALERT

		"page:%p flags:%p count:%d mapcount:%d mapping:%p index:%lx\n",

		page, (void *)page->flags, page_count(page),

		page_mapcount(page), page->mapping, page->index);

起先page是0xffff880821883b48这个值，觉得忒奇怪，就认为是个非法的值。于是走了点弯路，初步判定是page的值不对了。

 

于是单从这一次的改写来说，直接原因是从伙伴系统取出的struct page值不对。
struct page的来源，可能来自每cpu冷热缓存链表pcp，也来自zone->free_area链表。
于是想到的两种可能：
1）如果运行过程中，上述链表的list_head结构体的next域被改，则取出来的第一个page指针就是非法值。
链表pcp是每cpu变量，一般bootmem分配；
链表free_area来自bootmem分配。
2）或者某个时候，page结构里的lru.next字段被改，那么当此page被删除后，链表头指针list_head.next = 非法的lru.next， 

下回从伙伴取可用page的时候，取到了非法page值。
page结构位于node_map数组里，这个数组也是bootmem分配。 

于是根据异常信息一判断是bootmem区间被覆盖。

还剩下的疑点是，0xffff880821883b48这个值正常不？ 于是在正常环境下，以某次page的lru为起点，按照lru->next往后

打印链表上各个page的值。发现，在一条链表上，大多数page的地址都是0xffffea000fbab8c8这种值，只有一个'page'的地址是

0xffff880821883b48。后来想了一下，这个所谓的0xffff880821883b48开头的'page'其实就是zone->free_area->list_head或者pcp->list_head

头指针，因为这两个头指针都是在动态内存区分配，并且page所在的lru又是个双向环形链表，因此遍历到头指针也不足为奇了。

这么看来0xffff880821883b48这个值是正常的，不正常的是错误的取到list_head头作为page。

异常信息二：

 

[    6.839518] BUG: unable to handle kernel NULL pointer dereference at 0000000000000006

[    6.858841] IP: [<ffffffff810bb84a>] get_page_from_freelist+0x306/0x6d4

[    6.866234] PGD 0 

[    6.868481] Oops: 0002 [#1] PREEMPT SMP 

[    6.872895] last sysfs file: 

[    6.876201] CPU 19 

[    6.878551] Modules linked in:

[    6.881971] Pid: 139, comm: khelper Not tainted 2.6.32.41 #1 To be filled by O.E.M.

[    6.893024] RIP: 0010:[<ffffffff810bb84a>]  [<ffffffff810bb84a>] get_page_from_freelist+0x306/0x6d4

[    6.903125] RSP: 0018:ffff880821addac0  EFLAGS: 00010092

[    6.909046] RAX: 0000000000000006 RBX: ffff88047e4e98f8 RCX: ffff88047e4e9920

[    6.916991] RDX: ffff88047e4e9960 RSI: 0000000000000001 RDI: 0000000000000001

[    6.924944] RBP: ffff880821addb90 R08: 000000000037e329 R09: ffff8800000140c0

[    6.932898] R10: 0000000000000000 R11: dead000000200200 R12: dead000000100100

[    6.940843] R13: 0000000000000246 R14: ffff8800000140c0 R15: ffff88047e4e9900

[    6.948798] FS:  0000000000000000(0000) GS:ffff880028360000(0000) knlGS:0000000000000000

[    6.957818] CS:  0010 DS: 0018 ES: 0018 CR0: 000000008005003b

[    6.964223] CR2: 0000000000000006 CR3: 0000000001001000 CR4: 00000000000406e0

[    6.972177] DR0: 0000000000000000 DR1: 0000000000000000 DR2: 0000000000000000

[    6.980123] DR3: 0000000000000000 DR6: 00000000ffff0ff0 DR7: 0000000000000400

[    6.988077] Process khelper (pid: 139, threadinfo ffff880821adc000, task ffff880821a39f40)

[    6.997290] Stack:

[    6.999531]  ffff880821addaf0 ffffffff810b944a ffffea0000000041 0000000000000002

[    7.007622] <0> 0000000200000246 ffff880000015140 0000000021addbd0 0000000000000000

[    7.016220] <0> 00000040000212d0 ffff880000015148 ffff88047e4e98f8 0000000200000008

[    7.025027] Call Trace:

[    7.027759]  [<ffffffff810b944a>] ? prep_compound_page+0x45/0x66

[    7.034459]  [<ffffffff810bbe30>] __alloc_pages_nodemask+0x152/0x8b8

[    7.041546]  [<ffffffff810e229a>] alloc_pages_current+0x96/0x9f

[    7.048146]  [<ffffffff810e55ed>] alloc_slab_page+0x1a/0x25

[    7.054361]  [<ffffffff810e5643>] new_slab+0x4b/0x1ca

[    7.059995]  [<ffffffff810e6148>] __slab_alloc+0x1c3/0x366

[    7.066111]  [<ffffffff8106a0b0>] ? prepare_exec_creds+0x1b/0xb3

[    7.072809]  [<ffffffff810e3b8a>] ? bit_spin_lock+0x17/0x6c

[    7.079022]  [<ffffffff8106a0b0>] ? prepare_exec_creds+0x1b/0xb3

[    7.085719]  [<ffffffff810e6433>] kmem_cache_alloc+0x57/0xd8

[    7.092029]  [<ffffffff8106a0b0>] prepare_exec_creds+0x1b/0xb3

[    7.098533]  [<ffffffff810f1275>] prepare_bprm_creds+0x30/0x53

[    7.105038]  [<ffffffff810f2648>] do_execve+0x80/0x2e0

[    7.110769]  [<ffffffff8100a5c3>] sys_execve+0x3e/0x58

[    7.116498]  [<ffffffff8105fea5>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.123391]  [<ffffffff8100cf08>] kernel_execve+0x68/0xd0

[    7.129411]  [<ffffffff8105fea5>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.136303]  [<ffffffff8105fdc9>] ? ____call_usermodehelper+0x10d/0x118

[    7.143677]  [<ffffffff8100ce8a>] child_rip+0xa/0x20

[    7.149213]  [<ffffffff8105fea5>] ? __call_usermodehelper+0x0/0x6a

[    7.156104]  [<ffffffff8105fcbc>] ? ____call_usermodehelper+0x0/0x118

[    7.163286]  [<ffffffff8100ce80>] ? child_rip+0x0/0x20

[    7.169011] Code: 00 00 00 ad de 4c 89 65 80 49 bc 00 01 10 00 00 00 ad de 48 8b 4d 80 48 8b 5d 80 48 83 c1 28 48 8b 53 28 48 8b 41 08 48 89 42 08 <48> 89 10 4c 89 59 08 4c 89 63 28 41 ff 0f e9 99 00 00 00 f7 85 

[    7.190840] RIP  [<ffffffff810bb84a>] get_page_from_freelist+0x306/0x6d4

[    7.198325]  RSP <ffff880821addac0>

[    7.202212] CR2: 0000000000000006

[    7.205903] ---[ end trace 4eaa2a86a8e2da22 ]---

根据RIP得到出错的位置是0xffffffff810bb8fc，附近反汇编是：

 

 

ffffffff810bb8d0: mov    $0xdead000000200200,%r11    

ffffffff810bb8d7: 

ffffffff810bb8da: mov    %r12,-0x80(%rbp)

ffffffff810bb8de: mov    $0xdead000000100100,%r12    

ffffffff810bb8e5:  

ffffffff810bb8e8: mov    -0x80(%rbp),%rcx 

ffffffff810bb8ec: mov    -0x80(%rbp),%rbx   

ffffffff810bb8f0: add    $0x28,%rcx         

ffffffff810bb8f4: mov    0x28(%rbx),%rdx  

ffffffff810bb8f8: mov    0x8(%rcx),%rax  

ffffffff810bb8fc: mov    %rax,0x8(%rdx)  

ffffffff810bb900: mov    %rdx,(%rax)     

ffffffff810bb903: mov    %r11,0x8(%rcx) 

ffffffff810bb907: mov    %r12,0x28(%rbx) 

单从汇编很难看出对应C代码是哪句，

 

不过这里有条线索，0xffffffff810bb8d0把一个立即数0xdead000000200200赋给r11，

0xffffffff810bb8de把0xdead000000100100赋给r12。这两个特殊值分别是LIST_POISON2和LIST_POISON1。

再加上0xffffffff810bb903和ffffffff810bb907的赋值，我们可以推断出这附近做了一个list_del操作，因为：

 

static inline void list_del(struct list_head *entry)

{

	__list_del(entry->prev, entry->next);

	entry->next = LIST_POISON1;

	entry->prev = LIST_POISON2;

}

因此推断出，这段反汇编翻译成C代码应该是：

 

 

ffffffff810bb8d0: mov    $0xdead000000200200,%r11    ;LIST_POISON2

ffffffff810bb8d7: 

ffffffff810bb8da: mov    %r12,-0x80(%rbp)

ffffffff810bb8de: mov    $0xdead000000100100,%r12    ;LIST_POISON1

ffffffff810bb8e5:  

ffffffff810bb8e8: mov    -0x80(%rbp),%rcx ; rcx = page

ffffffff810bb8ec: mov    -0x80(%rbp),%rbx   ;rbx = page

ffffffff810bb8f0: add    $0x28,%rcx         ;rcx = page->lru

ffffffff810bb8f4: mov    0x28(%rbx),%rdx  ;rdx = page->lru->next

ffffffff810bb8f8: mov    0x8(%rcx),%rax  ;rax = page->lru->prev

ffffffff810bb8fc: mov    %rax,0x8(%rdx)  ; page->lru->next->prev = page->lru->prev

ffffffff810bb900: mov    %rdx,(%rax)     ; page->lru->prev->next = page->lru->next

ffffffff810bb903: mov    %r11,0x8(%rcx) ;   page->lru->prev = LIST_POISON2;

ffffffff810bb907: mov    %r12,0x28(%rbx)   ;  page->lru->next = LIST_POISON1;

所以故障直接原因是在获取到一个可用的page，将它从lru上取下来时出问题了。
即执行list_del(&page->lru)时，由于&page->lru->prev指针非法导致飞了。

 

综上，根据异常信息一和二，很可能是lru链表坏掉导致的问题，配置CONFIG_DEBUG_LIST尝试复现也是情理之中。

不过，再回过头检查，在异常信息一里，曾出现过page->flags为ffff880821885e00的情况，这很有可能是栈溢出引起。

检查我们自己写的模块，发现有个函数里申明了一块8K多的静态数组！对x86_64来说，内核栈只有两个页8K，这么搞的话

肯定会引起溢出。但是内核配置了CONFIG_DEBUG_STACKOVERFLOW为什么没检查到这种情况？

由于内核配置了CONFIG_NO_HZ，并且系统又是在启动阶段，CONFIG_DEBUG_STACKOVERFLOW又是在中断里检查的，

所以可能造成溢出检查滞后。另外，更重要的原因，内核栈溢出检查的代码是：

 

WARN_ONCE(regs->sp >= curbase &&

		  regs->sp <= curbase + THREAD_SIZE &&

		  regs->sp <  curbase + sizeof(struct thread_info) +

					sizeof(struct pt_regs) + 128,



		  "do_IRQ: %s near stack overflow (cur:%Lx,sp:%lx)\n",

			current->comm, curbase, regs->sp);

如果栈一次性压栈过于厉害，超过thread_info了，那上面的代码是检查不出来的。

 

检查最新的3.10的内核，逻辑已经完善过来了：

 

if(regs->sp >= curbase &&

		  regs->sp <= curbase + THREAD_SIZE &&

		  regs->sp >=  curbase + sizeof(struct thread_info) +

					sizeof(struct pt_regs) + 128)

	return OK;

warn(xxx); 

将模块里的动态数组改成kmalloc后拷机再未出现故障。